일반적으로 사용되는 첨가제가 포함된 탄성 실리콘 폼에서 대장균의 미생물 성장 및 접착

May 05, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8541(2023) 이 기사 인용

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실리콘은 발수성이 장점인 환경에서 자주 사용됩니다. 물과 접촉하면 미생물의 부착과 생물막 형성이 촉진됩니다. 적용 분야에 따라 식중독 및 감염 가능성이 높아지고, 소재의 외관이 저하되며, 제조 결함이 발생할 가능성이 높아질 수 있습니다. 인체와 직접 접촉하는 데 사용되지만 세척이 어려운 실리콘 기반 탄성 폼의 경우 미생물 부착 및 생물막 형성 방지도 필수적입니다. 본 연구에서는 다양한 조성의 실리콘 폼의 기공 내 미생물 부착 및 유지를 설명하고 일반적으로 사용되는 폴리우레탄 폼의 기공과 비교합니다. 세공 중 그람 음성 대장균의 성장과 세척 주기 동안의 침출은 박테리아 성장/억제, 접착 분석 및 SEM 이미징으로 특징지어집니다. 재료의 구조적 및 표면 특성을 비교합니다. 일반적인 항균 첨가제를 사용함에도 불구하고 우리는 불용성 입자가 실리콘 엘라스토머 층에 고립되어 표면 미세 거칠기에 영향을 미친다는 사실을 발견했습니다. 수용성 탄닌산은 배지에 용해되어 플랑크톤 박테리아 성장을 억제하는 데 도움이 되는 것으로 보이며, 이는 SIF 표면에 탄닌산이 존재한다는 것을 분명하게 나타냅니다.

실리콘은 광범위한 응용 분야에서 잘 연구된 소재입니다. 그럼에도 불구하고 특정 용도에서의 항균 특성은 여전히 ​​의문을 제기합니다. 의료 응용 분야에서 실리콘 기반 폼(SIF)은 주로 보철물1 및 최신 상처 드레싱2,3으로 사용되며 신체 조직 및 체액과 지속적으로 접촉합니다. 환경의 습도와 물은 미생물의 부착을 통해 생물막 형성을 촉진하므로 이러한 조건은 의심할 여지없이 감염 가능성을 증가시킵니다. SIF의 또 다른 적용 분야가 빠르게 성장하고 있는 분야는 체액, 음식 및 액체와 간헐적으로 접촉할 가능성이 매우 높은 쿠션재(시트, 매트리스, 개스킷)입니다. 쿠셔닝 폼은 공기, 유체 및 미생물의 침투를 허용하는 개방형 셀 구조를 갖는 경우가 많습니다. 생물막 형성은 또한 재료의 외관을 저하시키고 제조 결함 가능성을 증가시키기 때문에4,5 실리콘 재료에 대한 미생물 부착 및 생물막 형성 방지는 적용 여부와 관계없이 중요한 주제입니다.

일반적으로 실리콘으로 알려진 PDMS 기반 폴리머와 같은 폴리(디메틸실록산)은 본질적으로 항균성이 없습니다. 백금 나노입자6를 포함한 촉매와 폴리머 사슬 사이에 통합되거나 폴리머 백본에 접목된 기타 저분자량 종과 같은 첨가제는 실리콘 항균 활성을 제공할 수 있습니다7,8,9. 낮은 표면 장력과 그에 따른 높은 소수성은 PDMS가 단백질 흡착 및 박테리아 부착에 취약한 주요 이유 중 하나로 보고되었습니다. 예를 들어, Busscher et al. Candida albicans와 C. Tropicalis를 비교한 결과, 미생물 표면이 소수성일수록 실리콘 표면에 더 많이 부착되는 경향이 있음을 발견했습니다4. 그람 음성 박테리아인 Escherichia coli는 외막층에 소수성과 친수성 영역을 모두 가지고 있지만 표면은 일반적으로 친수성으로 간주됩니다(습윤 접촉각은 16.7°~24.7° 범위인 것으로 보고됨). 일반적으로 미생물의 부착은 박테리아 세포와 고분자 표면 사이의 소수성 상호작용에 따라 결정되는 것으로 이해됩니다13.

소수성 표면에 친수성 박테리아가 부착되는 것을 억제하기 위해 표면 친수성을 높이는 것이 종종 가능한 해결책으로 제안됩니다. 실리콘 카테터에 대한 대장균의 부착은 경화된 PDMS에 항균 펩타이드와 폴리비닐피롤리돈을 접목함으로써 32%까지 감소하는 것으로 나타났으며, 비닐 변형 메틸 셀룰로오스를 사용하면 최대 95%까지 감소하고 카르복시메틸 키토산과 폴리도파민을 사용하면 대장균 부착이 90% 이상 감소15. 또한 실리콘 고무(슈도모나스, 카테터)에 아크릴레이트7를 접목하면 비특이적인 단백질 흡착과 세포 부착을 효과적으로 억제하여 표면의 소수성 회복을 억제합니다. McVerry 등의 최신 작품 중 하나입니다. 실리콘 표면에 양성이온성 폴리머 폴리설포베타인과 퍼플루오로페닐아지드 네트워크를 생성하기 위해 주변 조건과 자외선 하에서 성공적인 1단계 친수성 표면 변형을 보여줍니다. 보고된 항균 활성은 친수성 코팅이 있을 때 표면 수화층이 형성되었기 때문입니다.